電磁波傳播特性 電磁波傳播特性-南京大學(xué)

1、電磁波傳播特性 電磁波傳播特性-南京大學(xué) 實驗四 電磁波傳播特性一、 實驗?zāi)康?、 了解電磁波綜合測試儀的結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理； 2、 利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長，確定電磁波的相位常數(shù)K和波速v； 3、 研究電磁波在良導(dǎo)體表面的反射。二、 實驗儀器三厘米固態(tài)信號發(fā)生器1臺，電磁波綜合測試儀1套，反射板（金屬板）2塊，半透射板（有機玻璃板）1塊。三、 實驗原理1、電磁波參量的測量變化的電場和磁場在空間的傳播稱為電磁波，幾列電磁波同時在同一媒質(zhì)中傳播時，幾列波可以保持各自的特點（波長、波幅、頻率、傳播方向等）同時通過媒質(zhì)，在幾列波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點的振動為各個波單獨在該點產(chǎn)生

2、的振動的合成。而當兩個頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波疊加時，在空間總會有一些點的振動始終加強，而另一些點的振動始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。干涉是電磁波的一個重要特性，利用干涉原理可對電磁波傳播特性進行很好的探索。利用邁克爾遜干涉原理測量電磁波波長的原理圖如圖1所示圖1 邁克爾遜干涉原理由發(fā)射喇叭發(fā)射出的電磁波，在空間傳播過程中，可以把它近似看成為均勻平面波。在平面波傳播的方向上放置一塊成45度角的半透明板，由于該板的作用，將入射波分成兩列波，一列經(jīng)介質(zhì)板反射后垂直入射到金屬板A，被A板反射回來，再經(jīng)介質(zhì)板折射后到達接收喇叭；另一列波經(jīng)介質(zhì)板折射后垂直入射到可動金屬

3、板B，被金屬板B反射回來，也到達接收喇叭。接收喇叭收到兩束同頻率，振動方向一致的兩列波。兩列到達接收喇叭的電磁波若波程差滿足一定的關(guān)系，那么這兩列波將發(fā)生干涉。設(shè)到達接收喇叭的兩列平面電磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差別，其電場可以表示為：E1=Emeit E2=Emei(t)其中=z是因波程差而造成的相位差。其合成場強為：E=E1+ E2=Emeit1+ez2izzi tz2 =2Emcose所以，合成波的電場振幅為2Emcoszz當2=n,n=0,1,2時，合成波振幅最大（為2Em）；當2=n+2,n=0,1,2時，合成波振幅最?。?）。實際上到達接收喇叭的兩列波的振幅不

4、可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好為2Em，合成波振幅最小值也不是為0。根據(jù)以上分析，若固定金屬板A，移動金屬板B，只改變第二列波的波程，讓兩列波發(fā)生干涉，當合成波振幅最大時，可得：z1=當合成波振幅最小時，可得：z2=2(n+2)2n2n=n =2(n+2)1=(n+)由最大振幅到最小振幅的最短波程差為：z2z1 =若移動金屬板的距離為 l，則：2l= z2z1 =4l實驗中，為了提高測量波長的精確度，測量多個極小值的位置，設(shè)S0為第一個極小值的位置，Sn為第（n+1）個極小值的位置，L= SnS0 ，則波長=2Ln2.電磁波的反射1）電磁波斜入射到兩種不同媒質(zhì)分界面上的反射和折射 均勻

5、平面波斜入射到兩種不同媒質(zhì)的分界面上，發(fā)生反射和折射，以平行折射波為例， (1)反射定律：1=1 (2)折射定律：sin2=12sin12）平行極化波入射到兩種媒質(zhì)分界面上發(fā)生無反射（全反射）的條件。平行極化波在兩種媒質(zhì)分界面上的反射系數(shù)R/和折射系數(shù)T/分別為：1E1R/=1212cos 2sin21cos+ sin212T/=E2=1212cos 21cos+ sin212平行極化波斜入射時發(fā)生無反射，即R/=0，應(yīng)有22cos= sin2 11可以解出無反射時的入射角21=P=arcsin12P稱為布魯斯特角。3）垂直極化波不可能產(chǎn)生無反射（全反射） 垂直極化波入射在兩種媒質(zhì)的分界面上，

6、反射系數(shù)cos 2sin2R=121和折射系數(shù)分別為：cos+ sin2cos+ sin21T=2對于一般媒質(zhì)12，12，可以證明，垂直極化波無論是從光疏媒質(zhì)射入光密媒質(zhì)，還是從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)，總有cos 2sin2，R0，所以不可能發(fā)生全1反射。沿任意方向極化的平面電磁波，以1=P入射到兩種媒質(zhì)的分界面上時反射波中只有垂直極化波分量，利用這種方法可以產(chǎn)生垂直極化波。4）電磁波斜入射到良導(dǎo)體表面的反射+ 對于良導(dǎo)體，E2=0，所以E1=E1，R=1， T =0.電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反射。處以一塊大的金屬板作為障礙物來研究當電波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射

7、定律，即反射線在入射線和通過入射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。四、 實驗內(nèi)容1、電磁波參量的測量（1）整體機械調(diào)整，使PT、PR相向，軸線在同一水平面線上，調(diào)整信號電平，使PR表頭指示接近滿刻度；（2）安裝反射板A和B、半透射板C，如圖1所示，注意A、B軸向成90°角，C板法向與A板法向成45°角，并注意反射板A、B的法向分別與PT、PR的軸向重合。（3）固定A板，用旋轉(zhuǎn)手柄移動B板，使PR表頭指示接近零，記下零指示的起始位置。 （4）用旋轉(zhuǎn)手棲使B板移動，再從表頭上測出n個極小值，同時從讀數(shù)機構(gòu)上得到相應(yīng)于（3）的起始零指示位置求

8、得反射板移動的距離LnL0，連續(xù)測三次，求平均值，取n=3或4即可。（5）根據(jù)測得的LnL0值，計算、K和值。 2.電磁波的反射（1）調(diào)試實驗裝置首先使兩個喇叭天線相互對正，它們的軸線應(yīng)在一條直線上。具體方法如下：旋轉(zhuǎn)工作平臺使0°刻線與固定臂上的指針對正，再轉(zhuǎn)活動臂使活動臂上的指針對正工作平臺上的180°刻線，然后鎖定活動臂。打開固態(tài)信號源開關(guān)，連接在接收喇叭天線上的微安表將有指示，分別微調(diào)發(fā)射喇叭天線和接收喇叭天線的方向，使微安表的指示最大，這時發(fā)射天線與接收天線就相互對正了。（2）電磁波入射到良導(dǎo)體表面的反射特性首先不加反射板，使發(fā)射天線與接收天線相互對正，調(diào)整固態(tài)信

9、號源，測出入射波電場E1 （可使微安表指示60 A），然后把良導(dǎo)體反射板放在轉(zhuǎn)臺上，使導(dǎo)體板平面對準轉(zhuǎn)臺上的90°刻線，這時轉(zhuǎn)臺上的0°刻線與導(dǎo)體板的法線方向一致，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺改變?nèi)肷浣?，測量在反射角1=1，時的反射波場強E1（仍用微安表指示的電流表示），把測試數(shù)據(jù)填入表2中，最后可把接收天線轉(zhuǎn)到導(dǎo)體板后（180°刻線處），觀察有無折射波。五、 實驗結(jié)果1、電磁波參量的測量首先對電磁波的參數(shù)進行了測量，結(jié)果如下表：表1 電磁波波長的測量實驗用的是9.37GHz的信號產(chǎn)生的電磁波，其波長應(yīng)為=32.02mm，實驗測量所得到的值為=32.16mm，相對誤差為0.44%，滿足誤差允許的范圍，可以認為精確測量到了